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Paläoklimatologie

Umwelt- und Geophysik, die Wissenschaft, die sich mit der Rekonstruktion des Klimas und der Untersuchung der Ursachen seiner Änderung in der Vergangenheit beschäftigt. Diese Vergangenheit ist hier im wesentlichen durch die Abwesenheit direkter Temperatur-, Niederschlags- und anderer meteorologischer Beobachtungen definiert, die in ausreichender Dichte und Genauigkeit erst etwa seit Mitte des 19. Jh. zur Verfügung stehen. Für davor liegende Zeiten ist die Klimaforschung auf indirekte »Klimaproxies« angewiesen. Diese sind zumeist in geologischen Archiven gespeichert (Klimaarchive, Paläogeophysik) und besitzen daher höchst unterschiedliche zeitliche Auflösungen. Bei fossilen Baumstämmen z.B., bei denen die Dichte und Dicke der einzelnen Jahresringe (Baumringe) als Proxy für die Temperaturen während der Wachstumsphase genutzt wird, kann eine jahreszeitliche Auflösung abgeleitet werden. Bei Tiefseebohrungen hingegen, in denen die Speziesverteilung planktonischer Foraminiferen Aufschluss über die Ozeanoberflächentemperaturen liefern, ist die zeitliche Auflösung in manchen Gebieten, in denen die Akkumulationsrate besonders niedrig ist, nicht besser als einige tausend Jahre.

Aufgabe der Paläoklimaforschung ist es nun, all diese Resultate zusammenzuführen, um für die unterschiedlichen Zeitpunkte der Erdgeschichte ein möglichst vollständiges Bild der jeweiligen Klimabedingungen zu zeichnen. Um jedoch Einblicke in die Klimaprozesse und die Dynamik des Klimasystems zu gewinnen, werden solch deskriptive Klimarekonstruktionen mit den jeweiligen sich zeitlich stets im Wandel befindenden Antriebsmechanismen des Erdklimas verglichen (Klimaänderungen). Mögliche externe Antriebsmechanismen stellen beispielsweise die atmosphärische Konzentration der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan (Kohlenstoffkreislauf), die in Folge der sich stets ändernden Erdbahnparameter variierende solare Einstrahlung (solare Strahlung) oder auch, auf besonders langen Zeitskalen, die veränderte Position der Kontinentalplatten (Kontinentalverschiebung) dar. Der wohl grösste Erfolg gelang der Paläoklimaforschung beim Verständnis und der Interpretation des pleistozänen Erdklimas (etwa die letzten 2 Millionen Jahre ), welches wesentlich durch eine stete Abfolge von Eis- und Warmzeiten gekennzeichnet ist. Mit einer stets verfeinerten Technik der Datierung mariner und terrestrischer Bohrungen (Eisbohrkerne, Sedimentkerne) konnte etwa nachgewiesen werden, dass die fünf letzten Eiszeiten mit einer Periode von etwa 100 000 Jahren aufeinanderfolgen. Auf diese dominierende Periode aufgesetzt finden sich jedoch auch höherfrequente Periodizitäten von ca. 40 000 und 20 000 Jahren, die mit erheblich kleineren Schwankungen des globalen Eisvolumens verbunden sind. Nach ersten Versuchen Mitte des 19. Jh. durch den französischen Mathematiker Joseph Adhemar und den schottischen Geologen James Croll, diese enormen weltweiten Klimaschwankungen, in deren Verlauf das Äquivalent von ungefähr 100 Metern des globalen Meeresniveaus in die nordhemisphärischen Eisschilden umgelagert werden, zu erklären, gelang es erst dem serbischen Mathematiker Milutin Milankovic, eine überzeugende Theorie zu formulieren. Milankovic postulierte, dass die von der Erde auf der Nordhemisphäre empfangene Sommereinstrahlung der entscheidende Taktgeber für das Wachsen und Schrumpfen der polaren Eisschilde darstellt. Bei beispielsweise verringerter Sommereinstrahlung bleibt mehr und mehr des im vorherigen Winter gefallenen Schnees liegen und sorgt über den Verstärkungsmechanismus der Schneealbedo (Albedo) für weitere Abkühlung. Dieser sich aufschaukelnde Abkühlungsprozess ist nach Milankovic der entscheidende Faktor beim Eintritt in eine Eiszeit. So berechnete er, während er sich von 1914-1918 in ungarischer Kriegsgefangenschaft befand, basierend auf den Prinzipien der Himmelsmechanik die von der Erde aufgenommene solare Einstrahlung für die letzten einige 100 000 Jahre. Das Zusammenspiel der Schwankungen der Exzentrizität (Ellipse) der Erdbahn um die Sonne, der Schräge der Erdachse und der Präzession der Jahreszeiten weist in der Tat genau die Periodizitäten auf, die in den geologischen Daten gefunden werden, nämlich 41 000 Jahre (assoziiert mit Variationen der Stellung der Erdbahnachse), 23 000 und 19 000 Jahre (assoziiert mit der Präzession der Jahreszeiten) und schliesslich 413 000 und 100 000 Jahre (assoziiert mit Variationen der Exzentrizität).

So überzeugend und erfolgreich Milankovics Theorie der später nach ihm benannten Milankovic-Zyklen auch war, bleiben doch noch wichtige Punkte zu verstehen. Insbesondere die starke Dominanz des 100 000-Jahres-Zyklus der Eiszeiten während der letzten 600 000 Jahre, welcher in den Einstrahlungsparametern keineswegs dominiert, ist noch nicht wirklich verstanden. Erst eine volle Interpretation des offensichtlich auf den externen Antriebsmechanismus der Sonneinstrahlung stark nicht-linear reagierenden Erdklimas wird dieses Problem lösen können.

 

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